關(guān)于泊江海孜礦白堊系、侏羅系地層凍結(jié)巖石物理力學(xué)性能的探索
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我國西部煤炭資源探明儲(chǔ)量占全國的80%，資源開發(fā)的重心將是我國西部。凍結(jié)法鑿井已在西部地區(qū)逐漸顯示出優(yōu)勢。但目前對(duì)我國西部地區(qū)的凍結(jié)巖土物理力學(xué)性能仍未進(jìn)行深入的研究。內(nèi)蒙泊江海孜礦采用凍結(jié)法鑿井，對(duì)該礦井井筒開鑿地層的物理力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究。
1 工程概況
1.1 井檢孔情況
從泊江海孜礦井檢孑L及井田內(nèi)鉆孑L的資料可知主、副、風(fēng)井3個(gè)井筒均需穿過第四系(Q)、白堊系(K)、侏羅系(J)等地層。以主井為例，各地層深度及巖性描述見表1。
根據(jù)主井檢查孔的勘探資料得知，礫巖及各粒級(jí)的砂巖均為孔隙式砂泥質(zhì)膠結(jié)，尤其是礫巖是由不同礫徑的礫石以孔隙式砂泥質(zhì)膠結(jié)而成，用手一捏，即可松散；部分粗粒砂巖從鉆孔中提出后，用手輕捏即呈散沙狀，個(gè)別粗粒砂巖風(fēng)干后用手可掰成碎塊，再經(jīng)水浸泡2～3 h后變?yōu)樯⑸碃睿缓[粗砂巖從鉆孑L中提出后，若用手捏也可成散沙狀；泥巖遇水后膨脹崩解具有可塑性，失水后易干裂破碎。鉆孔內(nèi)各類巖石溫度介于2. 9～22.3℃，屬于地溫正常區(qū)，無地?zé)嵛：Α?
1.2 常溫下力學(xué)性能
該礦主井白堊系、侏羅系巖土在常溫下力學(xué)性能具有以下幾個(gè)特征。
(1)隨著地層埋深的增加，各類巖石的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度呈增大的趨勢。其中砂巖類巖石的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度絕大部分低于泥巖類巖石。
(2)同類巖石的普氏系數(shù)隨著鉆孑L深度的加深而增大（由0. 01增至4.87）。
(3)巖石的軟化系數(shù)隨著鉆孔深度的加深而增大（粗粒砂巖由0. 03增至2.85）。
(4)埋深7.0～325.O m處的志丹群及埋深325. 0～523.O m處的侏羅系直羅組巖石絕大部分抗壓強(qiáng)度值小于10 MPa，只有極個(gè)別點(diǎn)抗壓強(qiáng)度值接近20 MPa;埋深523. 0～636.O m處的延安組巖石絕大部分抗壓強(qiáng)度值小于30 MPa，極個(gè)別點(diǎn)巖石抗壓強(qiáng)度值大于30 MPa。該礦區(qū)巖石以軟弱類巖層為主。
2 凍結(jié)巖土物理力學(xué)性能試驗(yàn)
2.1 凍結(jié)巖石物理性能試驗(yàn)
為更好掌握與比較測試地層巖石的物理力學(xué)性能，對(duì)該礦白堊系、侏羅系地層凍結(jié)巖土試驗(yàn)取樣，并對(duì)所取樣品進(jìn)行了含水率、密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)和結(jié)冰溫度等土工及物理性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。
2.2 凍結(jié)巖石力學(xué)性能試驗(yàn)
對(duì)現(xiàn)場所取6組巖樣進(jìn)行低溫下力學(xué)性能試驗(yàn)，以獲得在不同溫度水平下巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。試驗(yàn)獲得的各溫度水平下單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量見表3。
由單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)獲得了該礦白堊系與侏羅系地層巖樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，因各巖樣加載過程應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線類似，故本文僅以D6組泥巖（埋深528. 20～530. 57 m）為例進(jìn)行分析。
2.3 白堊系、侏羅系凍結(jié)巖石物理力學(xué)性能分析
(1)物理性能分析。由表2巖石物理性能試驗(yàn)結(jié)果可以看出該礦白堊系與侏羅系地層巖石密度均在2.4 g/cm3左右，含水率有一定差別，但都較低，均不超過10%;測試地層巖石比熱介于0.94～1. 13J/g．K)之間，其中白堊系巖樣比熱比侏羅系巖樣比熱略大，但二者的導(dǎo)熱系數(shù)相差不大，低溫條件下巖樣的導(dǎo)熱系數(shù)均比常溫下導(dǎo)熱系數(shù)有較大提高，且導(dǎo)熱系數(shù)值較大，如Dl組礪巖（埋深110～134m)在低溫條件下導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)到3.61×l0-2'J/
(cm．s．℃)。表明內(nèi)蒙地區(qū)巖石在凍結(jié)條件下溫度場擴(kuò)散快，有利于現(xiàn)場凍結(jié)；內(nèi)蒙地區(qū)巖石由于含水量較小，導(dǎo)致凍結(jié)溫度相對(duì)較低，試驗(yàn)地層巖石凍結(jié)溫度介于-0. 8～-2.6℃之間。
(2)力學(xué)性能分析。由表3泥巖凍結(jié)巖土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果可知：溫度因素對(duì)巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度有較大影響。該礦白堊系地層常溫條件下巖石抗壓強(qiáng)度達(dá)到4～8 MPa，侏羅系地層抗壓強(qiáng)度相對(duì)較大，但也不超過15 MPa，均為軟弱類巖層；負(fù)溫下試樣較之常溫下強(qiáng)度有不同程度提高，但并不呈線性增長，且負(fù)溫較常溫強(qiáng)度的增幅不明顯；白堊系地層凍結(jié)巖石受溫度影響比侏羅系地層影響大。如D3組白堊系地層粗砂巖(埋深255～277 m)在-5℃時(shí)單軸強(qiáng)度為8.90 MPa，而在-15℃時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)16. 11 MPa，強(qiáng)度增幅達(dá)到100%；而侏羅系地層強(qiáng)度增長較小，為50%左右；由于白堊系與侏羅系均屬于未完全成巖土樣，裂隙面發(fā)育較強(qiáng)，導(dǎo)致破壞強(qiáng)度離散較大，彈性模量離散也較大，但總體符合隨溫度降低彈性模量不斷增大這一規(guī)律，彈性模量介于200～720MPa之間，極限破壞應(yīng)變介于1%～3%之間。圖1為不同溫度水平D6組泥巖單軸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線圖，從圖1看出D6巖樣在不同溫度下，應(yīng)力應(yīng)變曲線也有所不同。在負(fù)溫下，D6組泥巖試樣較之常溫下強(qiáng)度有明顯提高，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出壓密后再進(jìn)入彈性加載階段，達(dá)到最大應(yīng)力值后，承載力迅速下降。因試樣在軸向壓應(yīng)力作用下，橫向產(chǎn)生拉應(yīng)力超過試樣極限抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生縱向裂紋并迅速擴(kuò)展開，試樣體積擴(kuò)容速率增大的緣故。D6泥巖試樣主要為劈裂破壞。
2.4 不同地層及材料的性能比較
凍結(jié)法鑿井在我國西部地區(qū)的白堊系、侏羅系地層應(yīng)用較少。將泊江海孜礦白堊系、侏羅系巖樣在常溫、低溫條件下巖土體物理力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)與兩淮地區(qū)第四系表土層、下第三系紅層及C30混凝土的物理力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，比較結(jié)果見表4。通過不同材料的物理力學(xué)性能比較可得出泊江海孜礦的白堊系及侏羅系地層凍結(jié)性能特點(diǎn)。
(1)泊江海孜礦的白堊系、侏羅系地層與第四系表土層物理性能差別較大外，與下第三系紅層物理性能較為接近。白堊系、侏羅系地層導(dǎo)熱系數(shù)較大，故內(nèi)蒙地區(qū)凍結(jié)巖石溫度場擴(kuò)散快，凍結(jié)壁擴(kuò)展速率也相對(duì)較大，對(duì)井筒提前開挖施工較為有利，但同時(shí)白堊系、侏羅系地層巖體凍結(jié)溫度較低，即在相同凍結(jié)壁平均溫度時(shí)，地層凍結(jié)壁厚度相對(duì)較小。
(2)低溫下泊江海孜礦白堊系地層巖樣單軸抗壓強(qiáng)度小于該礦的侏羅系地層巖樣單軸抗壓強(qiáng)度，但彈性模量、破壞時(shí)極限應(yīng)變值較為接近，離散較大，這與測試巖樣裂隙面發(fā)育程度影響有關(guān)。
(3)低溫下泊江海孜礦白堊系、侏羅系地層單軸抗壓強(qiáng)度比C30混凝土的稍小一些，但兩種材料的彈性模量與極限應(yīng)變值差別較大，這主要是由于測試地層凍結(jié)巖樣存在較多微裂隙。
3 結(jié)論及建議
通過對(duì)內(nèi)蒙泊江海孜礦白堊系、侏羅系地層的樣品人工凍結(jié)物理力學(xué)性能試驗(yàn)，并與兩淮地區(qū)的第四系沖積層、下三系紅層進(jìn)行的橫向?qū)Ρ仍囼?yàn)研究，得出以下結(jié)論：
(l)泊江海孜礦白堊系地層地層以泥巖、粉砂巖、礫巖、砂礫巖、細(xì)砂巖及粗砂巖為主，巖體抗壓強(qiáng)度較下三系紅層、第四系沖擊層要高，但易風(fēng)化、透水性較弱、親水性強(qiáng)，遇水后強(qiáng)度軟化、失水后易崩解，屬軟弱類巖層。
(2)泊江海孜礦白堊系、侏羅系地層巖石密度均在2.4 g/cm3左右；含水率不超過10%，小于第四系表土和下三系紅層；比熱介于0. 94～1. 13J/ (g．K)之間，是第四系表土的60%左右；導(dǎo)熱系數(shù)常溫下(2. 67～3.10) 10-2J/ (cm．s．℃)，低溫下(3. 02～3.70) 10-z J／( cm．s．t)，較下三系紅層大，是第四系表土的2倍左右；巖石結(jié)冰溫度-0.8℃～-2.6℃。
(3)泊江海孜礦白堊系地層巖石常溫條件下巖石抗壓強(qiáng)度4～8 MPa，小于泊江海孜礦侏羅系地層8～15 MPa;泊江海孜礦白堊系地層凍結(jié)巖石在-5℃時(shí)單軸強(qiáng)度的增幅是常溫下的50%左右，達(dá)到8. 90 MPa，在- 15℃時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)16. 11 MPa，強(qiáng)度增幅達(dá)到100%；而泊江海孜礦侏羅系地層強(qiáng)度在- 15℃時(shí)增幅只有常溫下的so%左右。
(4)泊江海孜礦白堊系巖層低溫條件下的彈性模量為200～800 MPa，介于下三系紅層與泊江海孜礦侏羅紀(jì)地層之間，是第四系表土的4倍左右，遠(yuǎn)小于C30混凝土的彈模，彈模隨溫度降低不斷增大。
(5)泊江海孜礦白堊系、侏羅紀(jì)巖層低溫下極限破壞應(yīng)變在1%～3%之間，是C30混凝土的10倍左右。
對(duì)內(nèi)蒙泊江海孜礦白堊系、侏羅系地層的凍結(jié)法鑿井的建議：
該礦白堊系、侏羅系地層在負(fù)溫下承載力較常溫下的大，凍結(jié)后有較好自穩(wěn)能力，故凍結(jié)壁設(shè)計(jì)只考慮封水；導(dǎo)熱系數(shù)大，凍結(jié)壁發(fā)展速度快，凍結(jié)壁平均溫度設(shè)計(jì)值應(yīng)高于第四系表土，該兩地層結(jié)冰溫度低，計(jì)算凍結(jié)壁厚度時(shí)需重視這兩個(gè)地層的冰點(diǎn)數(shù)據(jù)。
4摘 要
進(jìn)行了泊江海孜礦白堊系、侏羅系地層的凍結(jié)巖土物理力學(xué)性能試驗(yàn)，并與兩淮地區(qū)凍結(jié)巖土數(shù)據(jù)及相關(guān)材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向比較，得出了泊江海孜礦白堊系、侏羅系地層的凍結(jié)巖土工程參數(shù)特性。對(duì)今后在白堊系、侏羅系地層凍結(jié)法鑿井的設(shè)計(jì)及施工有著較為重要的參考價(jià)值。
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